(57)【要約】マイクロプロセッサ（３２０）と、メモリ（３２４）と、オーディオインターフェース（３３２，３３４）とを有するモバイルコンピューティングシステム（３００）を用いた低コストのボルタンメトリー分析システムを提供する。オーディオインターフェースは、第１及び第２のチャネルを有するオーディオ信号出力（３３２）と、オーディオ信号入力（３３４）とを備える。インターフェースは、第１及び第２の電極（１０４，１０６）を有するボルタンメトリーセル（１０２）に接続可能であり、デバイスのメモリは、マイクロプロセッサによって実行されると、デバイスに、オーディオ信号出力の第１のチャネルと第２のチャネルとの間に、時変ボルタンメトリー駆動電位と、ＡＣ摂動とを含む出力電圧波形（３１０，３１２）を発生させ、出力電圧波形の発生と同時に、オーディオ信号入力で受信された入力電圧波形（３１４）を取得させ、入力電圧波形をボルタンメトリー応答波形（３１４）としてデータ記憶装置（３２４）に記録させる（ステップ４２０）命令（３３６）を格納している。【選択図】図３Ａ
2019509490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロプロセッサと、
前記マイクロプロセッサにアクセス可能な、プログラム及びデータ記憶装置を含む１つ以上のメモリコンポーネントと、
第１及び第２のチャネルを有するオーディオ信号出力、並びにオーディオ信号入力を含み、前記マイクロプロセッサの制御下で動作可能なオーディオインターフェースであって、使用時に第１及び第２の電極を有するボルタンメトリーセルに接続可能であり、前記オーディオ信号出力の前記第１のチャネルは、前記第１の電極に接続され、前記オーディオ信号出力の前記第２のチャネルは、抵抗を介して前記第２の電極に接続され、前記オーディオ信号入力はキャパシタを介して前記第2の電極に接続される、オーディオインターフェースと、を備え、
前記プログラム及びデータ記憶装置は、前記マイクロプロセッサによって実行されると、前記モバイルコンピューティングデバイスに以下のステップ、すなわち、
前記オーディオ信号出力の前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に、時変ボルタンメトリー駆動電位及びＡＣ摂動を含む出力電圧波形を発生させるステップと、
前記出力電圧波形を発生させると同時に、前記オーディオ信号入力で受信された入力電圧波形を捕捉するステップと、
前記入力電圧波形をデータ記憶装置内にボルタンメトリー応答波形として記録するステップと、
を実施させる命令を格納している、モバイルコンピューティングデバイス。
【請求項２】
前記命令は、前記モバイルコンピューティングデバイスに、
前記ボルタンメトリー駆動電位波形を含む第１の波形を発生させ、
前記ボルタンメトリー駆動電位波形の逆の波形を含む第２の波形を発生させ、
前記ＡＣ摂動を前記第１及び第２の波形の１つに重畳させ、
前記第１の波形を前記オーディオ信号出力の前記第１のチャネルに印加し、前記第２の波形を前記オーディオ信号出力の前記第２のチャネルに印加する
ことによって、
前記出力電圧波形を発生させる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記命令は、前記モバイルコンピューティングデバイスに、前記ボルタンメトリー駆動電位が三角波である前記出力電圧波形を発生させる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記抵抗は、４７Ωから４．７ｋΩの範囲、具体的には、６８Ωから３９０Ωの範囲内の値、より具体的には約１００Ωの値を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ＡＣ摂動の周波数は、５０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲内、具体的には１００Ｈｚから４００Ｈｚ、より具体的には約２００Ｈｚから約３００Ｈｚの範囲内である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記ＡＣ摂動の前記周波数は、５０Ｈｚではなく、５０Ｈｚの倍数のいずれでもなく、及び／又は６０Ｈｚではなく、６０Ｈｚの倍数のいずれでもない、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
ピーク出力電圧に対する前記ＡＣ摂動の振幅は、０．７％から７％、具体的には約３％から約５％の範囲内である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
ボルタンメトリーセル内の分析物のＡＣボルタンメトリー分析方法であって、当該方法は、
オーディオ信号出力の第１のチャネルが、前記ボルタンメトリーセルの第１の電極に接続され、前記オーディオ信号出力の第２のチャネルが、抵抗を介して前記ボルタンメトリーセルの第２の電極に接続され、前記オーディオ信号入力は、キャパシタを介して前記ボルタンメトリーセルの前記第２の電極に接続される、請求項１に記載のモバイルコンピューティングデバイスを前記ボルタンメトリーセルに接続される、ステップと、
前記モバイルコンピューティングデバイスがボルタンメトリー応答波形を取得するステップと、
前記ボルタンメトリー応答波形の第２高調波分析を行って、対応するボルタモグラムを取得するステップと、
を含む方法。
【請求項９】
前記第２高調波分析を行うステップは、前記ＡＣ摂動から第２高調波をフィルタリングするステップと、前記フィルタリングされた第２高調波波形のエンベロープとして前記ボルタモグラムを取得するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
モバイルコンピューティングデバイスによって実行可能な命令が記録されたコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品であって、
前記モバイルコンピューティングデバイスは、
マイクロプロセッサと、
前記マイクロプロセッサにアクセス可能な、プログラム及びデータ記憶装置を有する１つ以上のメモリコンポーネントと、
第１及び第２のチャネルを有するオーディオ信号出力、並びにオーディオ信号入力を含み、前記マイクロプロセッサの制御下で動作可能なオーディオインターフェースであって、使用時に第１及び第２の電極を有するボルタンメトリーセルに接続可能であり、前記オーディオ信号出力の前記第１のチャネルは前記第１の電極に接続され、前記オーディオ信号出力の前記第２のチャネルは抵抗を介して前記第２の電極に接続され、前記オーディオ信号入力はキャパシタを介して前記第２の電極に接続される、オーディオインターフェースと、を備え、前記命令は、前記マイクロプロセッサによって実行されると、前記モバイルコンピューティングデバイスに以下のステップ、すなわち、
前記オーディオ信号出力の前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に、時変ボルタンメトリー駆動電位及びＡＣ摂動を含む出力電圧波形を発生させるステップと、
前記出力電圧波形を発生させると同時に、前記オーディオ信号入力で受信された入力電圧波形を捕捉するステップと、
前記入力電圧波形をデータ記憶装置内にボルタンメトリー応答波形として記録するステップと、
を実施させるように構成される、コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的分析方法に関し、より具体的には、広く利用可能なモバイルコンピューティング技術を用いる低コストのボルタンメトリー分析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学センサ及びバイオセンサの分野における最近の傾向は、センシング技術が普通の人々の生活を変容させる能力を有し、かつ遠隔地又は資源の乏しい環境でそれらを利用可能であるか否かを判断するにあたり簡易さ及び低コストの重要性を強調している。このために、最低の費用で製造することができる、マイクロ流体センサを作製するのに、紙などの低コスト材料の使用や、印刷などの低コスト製造技術にかなりの関心が集まっている。更なる関心領域は、例えば、使い捨てセンサ上に一緒に設置された印刷電子機器の使用による検出機器のコストの削減である。
【０００３】
いくつかの関心を集めている１つのアプローチは、スマートフォン又はタブレットなどのモバイルコンピューティングデバイスを検出装置の構成要素として用いることである。このようなデバイスは、現在、先進国では市場に浸透しており、発展途上国にも急速に普及しつつある。 
【０００４】
モバイルコンピューティングデバイスを使用することにより、デバイスが、ユーザインタラクション、データ取得、信号処理、結果表示などの、多くのバックエンドセンサ機能に取って代わることができるため、コストを削減することができる。さらに、これらのデバイスの接続性は、遠隔医療を促進し、距離障壁を排除する助けとなり、これにより、遠隔地や資源不足の地域社会における医療サービスへのアクセスを改善することを約束する。
【０００５】
しかし、化学センシング及び／又はバイオセンシングのためのモバイルデバイス技術のアプリケーションのほとんどは、主要センサ機能を実行するために、外部のアクティブな周辺デバイスに依存してきた。このような解決策は、より高価な統合型のセンシング装置よりも費用対効果を提供するが、それにもかかわらず、これらは、適切なモバイルデバイスの可用性を上回る追加のコスト、並びに追加の周辺センシング装置を持ち運ぶことの不便さを伴う。
【０００６】
したがって、さらに低コストのセンシングシステムを開発し、遠隔地の地域社会や発展途上国の中で化学センサ及びバイオセンサの可用性を拡大する継続的必要性が残っている。本発明は、この継続的必要性に対処するか、あるいは少なくとも既存の低コストセンシングシステムの有用な代替物を提供することを探索する。
【発明の概要】
【０００７】
一態様において、本発明は、マイクロプロセッサと、マイクロプロセッサにアクセス可能な、プログラム及びデータ記憶装置を含む１つ以上のメモリコンポーネントと、第１及び第２のチャネルを有するオーディオ信号出力、並びにオーディオ信号入力を含み、マイクロプロセッサの制御下で動作可能なオーディオインターフェースであって、使用時に第１及び第２の電極を有するボルタンメトリーセルに接続可能であり、オーディオ信号出力の第１のチャネルは、第１の電極に接続され、オーディオ信号出力の第２のチャネルは、抵抗を介して第２の電極に接続され、オーディオ信号入力はキャパシタを介して第2の電極に接続される、オーディオインターフェースと、を備え、プログラム及びデータ記憶装置は、マイクロプロセッサによって実行されると、モバイルコンピューティングデバイスに以下のステップ、すなわち、オーディオ信号出力の第１のチャネルと第２のチャネルとの間に、時変ボルタンメトリー駆動電位及びＡＣ摂動を含む出力電圧波形を発生させるステップと、出力電圧波形を発生させると同時に、オーディオ信号入力で受信された入力電圧波形を捕捉するステップと、入力電圧波形をデータ記憶装置内にボルタンメトリー応答波形として記録するステップと、を実施させる命令を格納している、モバイルコンピューティングデバイスを提供する。
【０００８】
特に、モバイルコンピューティングデバイスは、モバイルフォン、スマートフォン、タブレット、又は類似のものとすることができる。従って、オーディオインターフェースは、モバイルコンピューティングデバイスのビルトイン機構であり、追加の外部アクティブ周辺センシング装置を必要としない。特に、本発明者らが行った研究によれば、モバイルデバイスのヘッドセットポートのオーディオ出力を用いて駆動電圧波形を印加し、同一ポートのマイク入力線を用いて（抵抗にかかる電圧として）電流を測定することで、従来のポテンショスタットを用いて得られる結果によく似たボルタモグラムを生成することができることを確証した。
【０００９】
本発明の実施形態によれば、命令は、モバイルコンピューティングデバイスに、ボルタンメトリー駆動電位波形を含む第１の波形を発生させ、ボルタンメトリー駆動電位波形の逆の波形を含む第２の波形を発生させ、ＡＣ摂動を第１及び第２の波形の１つに重畳させ、第１の波形をオーディオ信号出力の第１のチャネルに印加し、第２の波形をオーディオ信号出力の第２のチャネルに印加することによって、出力電圧波形を発生させる。
【００１０】
有利には、第１及び第２のチャネル（例えば、標準のステレオ出力の左右のチャネル）に反対の出力を発生させことによって、利用可能なピーク電位は実質上２倍になる。例えば、従来のオーディオ出力インターフェースの各チャネルは、０．７ボルトまでのピークツーピーク波形を提供することができるため、２つのチャネルを反対に駆動すると１．４ボルトのピークツーピーク電位が得られる。
【００１１】
本発明の実施形態によれば、前記命令は、モバイルコンピューティングデバイスに、ボルタンメトリー駆動電位が三角波である出力電圧波形を発生させる。
【００１２】
本発明の実施形態では、実行可能なプログラム命令はアプリの形態をとることができ、これは、モバイルコンピューティングデバイスにダウンロードされ、インストールされる。オーディオ出力の駆動及びオーディオ入力の捕捉は、ｉＯＳ（登録商標）、Ａｎｄｒｏｉｄ（登録商標）、又はＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）などの関連するオペレーティングシステムによって提供される標準のアプリケーションプログラムインターフェース（ＡＰＩｓ）を用いてプログラムにより達成することができる。モバイルデバイスを介した入出力も、有利には、利用可能なＡＰＩｓを用いて実装することができる。重要なのは、市販の広範なモバイルコンピューティングデバイスに必要なプログラミングを実装するために、一切の追加のハードウェア及び／又はオペレーティングシステムサポートを必要としないことである。
【００１３】
発明者らの研究によれば、抵抗値、及び／又は重畳されるＡＣ摂動の振幅及び周波数などのパラメータの選択によって、多くの性能トレードオフを制御することができることをさらに明らかにした。例えば、抵抗値を高くすることによって検出機能の感度は向上するが、線形ダイナミックレンジは狭くなる。ＡＣ摂動の周波数を高くすることによって、ある程度まで性能が向上し、さらに、振幅を大きくしても感度が高くなる。しかし、このことは必ずしも有益ではない。なぜなら、ボルタンメトリー電流の応答が大きくなると、オームの効果を増大させ、線形性及びダイナミックレンジに影響を及ぼすからである。
【００１４】
電極のサイズ及び形状も性能に影響を与えるが、これらは、必ずしもユーザの制御範囲内にあるとは限らない。これに対して、（例えば、ポテンショメータの使用により）抵抗値を変化させること、及び／又は（ソフトウェア制御下で）ＡＣ摂動の周波数及び振幅を変化させることは、比較的簡単である。
【００１５】
本発明の様々な実施形態によれば、抵抗は、４７Ωから４．７ｋΩの範囲、具体的には、６８Ωから３９０Ωの範囲内の値、より具体的には約１００Ωの値を有する。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、ＡＣ摂動の周波数は、５０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲内、具体的には１００Ｈｚから４００Ｈｚ、より具体的には約２００Ｈｚから約３００Ｈｚの範囲内である。しかし、国に応じて、一般的には約５０Ｈｚ又は６０Ｈｚで発生する電源のピックアップノイズを回避することが望ましい。そのため、本発明の実施形態によれば、ＡＣ摂動の周波数は、５０Ｈｚではなく、５０Ｈｚの倍数のいずれでもなく、及び／又は６０Ｈｚではなく、６０Ｈｚの倍数のいずれでもない。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、ピーク出力電圧に対するＡＣ摂動の振幅は、０．７％から７％、より具体的には約３％から約５％の範囲である。
【００１８】
本発明の実施形態は、ボルタンメトリーセル内の分析物のＡＣボルタンメトリー分析方法であって、当該方法は、オーディオ信号出力の第１のチャネルが、ボルタンメトリーセルの第１の電極に接続され、オーディオ信号出力の第２のチャネルが、抵抗を介してボルタンメトリーセルの第２の電極に接続され、オーディオ信号入力は、キャパシタを介してボルタンメトリーセルの第２の電極に接続される、請求項１に記載のモバイルコンピューティングデバイスをボルタンメトリーセルに接続される、ステップと、モバイルコンピューティングデバイスがボルタンメトリー応答波形を取得するステップと、ボルタンメトリー応答波形の第２高調波分析を行って、対応するボルタモグラムを取得するステップと、を含む方法を提供する。
【００１９】
本発明の実施形態において、第２高調波分析を行うことは、ＡＣ摂動から第２高調波をフィルタリングすることと、フィルタリングされた第２高調波形のエンベロープとしてボルタモグラムを取得することを含む。フィルタリングは、ボルタンメトリー応答波形の周波数変換を算出し、第２高調波周波数に対応する変換波形の周波数成分を抽出し、抽出された信号に逆周波数変換を行うことによって都合よく行うことができる。
【００２０】
本発明のさらなる態様、特徴、利点は、当業者が本発明の原理を理解し、それらの原理を実行するのを助けるために提供される、単なる例示にすぎない特定の実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。開示された実施形態は、前述したように、又は本明細書に添付された請求項で定義されるように、本発明の範囲を限定することを意図していない。
【００２１】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して説明され、図面において、同様な参照数字は、同様な特徴を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の２電極のポテンショスタット構成を例示する図である。
【図２】本発明を具体化するボルタンメトリーセルにモバイルコンピューティングデバイスのオーディオインターフェースを接続するための構成を例示する図である。
【図３Ａ】モバイルコンピューティングデバイス上で実行するボルタンメトリーアプリを例示する図である。
【図３Ｂ】モバイルコンピューティングデバイス内の多数の例示的なコンポーネントを概略的に例示する図である。
【図４】本発明を具体化する、ボルタンメントリー測定の手順を例示するフローチャートである。
【図５】本発明を具体化する、データ分析の方法を例示するフローチャートである。
【図６】図４及び図５の手順による測定及び分析の例示的な結果を示す図である。
【図７】本発明の実施形態による、ＡＣ摂動の振幅及び周波数の関数として測定感度を例示するグラフである。
【図８Ａ】本発明の実施形態による、異なる抵抗値に対する較正プロットである。
【図８Ｂ】本発明の実施形態による、異なる抵抗値に対する較正プロットである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、従来の２つの電極のポテンショスタット構成１００を概略的に例示する。分析物溶液が入っているボルタンメトリーセル１０２が提供される。分析物溶液内には、作用電極（ＷＥ）１０４及び対電極（ＣＥ）１０６が浸漬されている。ＷＥ及びＣＥは、対応する端子１０８、１１０を有する。ＷＥとＣＥとの間に電圧／信号源１２によって時変電位が印加される。回路内に結果として生じる時変電流は、例えば、電流計１１４によって測定される。
【００２４】
ＷＥに印加される時変電位は、分析物の酸化及び／又は還元を促進する。得られる電流を分析する様々な形態のボルタンメトリーは、ボルタモグラムの電位軸に基づく選択度からだけでなく、電流ピークの大きさからも高感度の定量的情報を提供することができる。ボルタンメトリーのさらなる利点は、利用可能な特殊なサブ技術の大きな多様性にあり、それぞれは、ＷＥに印加される励起信号の性質、すなわち三角波から複雑な一連のインクリメントパルスまでの、ほぼ全てによって規定される。
【００２５】
本発明の実施形態において用いられる１つの特定の種類のボルタンメトリーは、第２高調波のＡＣボルタンメトリーである。この技術によれば、ゆっくり時間的に変化する駆動電位に重畳されたＡＣ摂動がＷＥに印加される。得られる電流信号は、ＡＣ摂動の周波数に対応する第２高調波を抽出するために処理され、第２高調波信号には相対的に容量性のバックグラウンド電流がないという利点を有する。
【００２６】
第２高調波ＡＣボルタンメトリーのさらなる特性は、電流波形のＤＣ成分の捕捉又は記録も必要としないことである。本発明の実施形態は、この特性を活用して、標準的なオーディオインターフェース（すなわち、第１及び第２のステレオ出力チャネル、並びにマイク入力チャネル）を有するモバイルコンピューティングデバイスを、ソフトウェアでプログラミングして、２電極構成でボルタンメトリーセル１０２に接続するのに適したポテンショスタットとして作用可能にする。マイク入力を含む標準的なオーディオ入力は、可聴範囲以下の周波数の捕捉には価値がなく、ＤＣ結合入力は静的蓄積電荷（static accumulation）、ノイズ、及びドリフトの影響を受けやすいことを考慮すると、ほぼ常にＡＣ結合される。
【００２７】
図２は、本発明を具体化する、標準のモバイルコンピューティングデバイスのオーディオインターフェースをボルタンメトリーセルに接続するための構成２００を概略的に例示する。この構成２００は、ＷＥ１０４とＣＥ１０６とを有する標準的な２電極ボルタンメトリーセル１０２を備える。抵抗２０２及びキャパシタ２０４が、ＷＥ１０４に関連する端子１０８に接続されている。従来の４導体ＴＲＲＳ（チップ−リング−リング−スリーブ）３．５ｍｍオーディオジャック（ＣＴＩＡピンアウト）２０６を有するケーブルが提供される。モバイルコンピューティングデバイスの対応するオーディオソケットに接続されると、第１のリング２０８は第１の（右）チャネル出力に接触し、チップ２１０は第２の（左）チャネルに接触し、スリーブ２１２はマイク入力導体に接触し、第２のリング２１４は、接地又は共通の接続線である。
【００２８】
本構成２００において、第１の出力チャネル２１８は、ボルタンメトリーセル１０２の端子１１０に接続される。第２の出力チャネル２１６は、抵抗２０２の開放端に接続され、オーディオ入力（マイク）チャネル２２０は、キャパシタ２０４の開放端に接続される。
【００２９】
これにより、ソフトウェア制御下で、モバイルコンピューティングデバイスの第１及び第２のオーディオ信号出力間に励起電位波形を発生させることができる。同時に、結果として生じる時変電圧信号をオーディオ信号入力で受信し、この入力電圧波形をソフトウェア制御下で捕捉することもできる。
【００３０】
特に、出力電圧波形は、適切なモバイルコンピューティングデバイスのオーディオ信号出力の第１のチャネルと第２のチャネルとの間に発生させることができ、これはＡＣ摂動信号と組み合わされる（ランプ波又は三角波などの）時変ボルタンメトリー駆動電位を含む。より具体的には、モバイルコンピューティングデバイスは、第１のチャネル上の出力用の第１の波形と、第２のチャネル上の出力用の第２の波形とを発生させるようにプログラムすることができ、第１及び第２の波形は互いに逆にして、第１のチャネル出力と第２のチャネル出力との間に印加可能な総電位が、実際上、各チャネルで個別に利用できるピーク電圧出力の２倍となるようにする。さらに、ＡＣ摂動は、第１又は第２の波形のいずれか一方に重畳されてもよい。例えば、本発明の実施形態において、ＡＣ摂動は、第１の波形に重畳され、ＣＥ１０６に直接印加される。あるいは、ＡＣ摂動は第２の波形に重畳され、抵抗２０２を介してＷＥ１０４に印加されてもよい。結果的に、ボルタンメトリーセル１０２を介して回路内に流れる電流は、モバイルコンピューティングデバイスのオーディオ信号入力によって受信され、捕捉されうるＡＣ成分を有する電圧を抵抗２０２の両端間に発生させる。
【００３１】
図３Ａは、モバイルコンピューティングデバイス３００上で実行するボルメントリアプリの例示的なユーザインターフェースを示す。デバイス３００は、ソケット３０２を有し、このソケット３０２には、ジャック２０６を嵌め込むことができる。アプリインターフェースは、パラメータ入力領域３０４を有し、このパラメータ入力領域を介してユーザは、モバイルコンピューティングデバイスのタッチスクリーンディスプレイと対話することによって、従来の方法で測定パラメータを入力することができる。このようなパラメータは、振幅及び周波数などの重畳ＡＣ摂動の特性だけでなく、三角波のタイミングパラメータなどの、基礎となる時変ボルタンメトリー駆動電位の特性を含むことができる。
【００３２】
入力ボタン３０６により、ユーザは、測定を開始及び停止するためにアプリと対話することができる。
【００３３】
波形表示領域３０８は、出力波形及び入力波形の両方を示す。図示のように、第２のチャネル出力３１０は、ＡＣ摂動が重畳された正極性三角波を含む。第１のチャネル出力３１２は、相補的な負極性三角波を含む。モバイルコンピューティングデバイス３００のオーディオ信号入力で受信されて得られた信号は、トレース３１４として示されている。これにより、ユーザは測定の進捗状況を監視することができる。
【００３４】
図３Ｂは、モバイルコンピューティングデバイス３００内の多くの例示的なコンポーネントを概略的に示すブロック図である。例示的なデバイス３００は、１つ以上の、データ、アドレス、通信、及び／又は信号バス３２２を介して、多数の統合周辺機器に接続されるマイクロプロセッサ３２０を備える。特に、１つ以上のメモリコンポーネント３２４は、マイクロプロセッサ３２０にアクセス可能であり、マイクロプロセッサ３２０によって実行又は処理することのできるプログラム及びデータ用の記憶装置を備える。また、例示的なモバイルデバイス３００内は、このデバイス３００が遠隔システムとの通信用に用いることができる、携帯電話インターフェース及び／又はＷｉ−Ｆｉ（登録商標）インターフェースなどの少なくとも１つのネットワークインターフェース３２８も組み込まれている。さらに、アンテナ３３０は、無線通信を容易にする。
【００３５】
デバイス３００は、ステレオオーディオ出力インターフェース３３２及びオーディオ入力インターフェース３３４をさらに含む。オーディオ出力インターフェース３３２それ自体は、マイクロプロセッサ３２０から受信したデジタル信号波形をオーディオソケット３０２で２チャネルのアナログ出力信号に変換するために必要とされる、必要なバッファリング、タイミング、及びデジタル−アナログ変換の機能を備える。
【００３６】
同様に、オーディオ入力インターフェース３３４は、オーディオソケット３０２から受信したアナログ入力信号を捕捉し、受信した信号を等価のデジタル波形に変換し、メモリ３２４への転送及び／又はマイクロプロセッサ３２０による検索のために受信した値をバッファリングするために必要とされる、必要なタイミング、バッファリング、デジタル−アナログ変換の機能を備える。
【００３７】
メモリコンポーネント３２４は、揮発性メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ）、及びフラッシュメモリ、他の形態の固体メモリ、及び／又はハードディスクドライブなどの磁気記憶デバイスといったような不揮発性メモリなど、異なるタイプのメモリ要素を含むことができる。メモリ３２４は、モバイルコンピューティングデバイス３００の一般的な動作に関連するプログラムコード及びデータ（例えば、Ａｎｄｒｏｉｄ（登録商標）又はＡｐｐｌｅ ｉＯＳ（登録商標）オペレーティングシステムなどのオペレーティングシステムに関連するプログラム及びデータ）を格納することに加えて、さらに、図３Ａに例示されるようなユーザインターフェースを提供することを含む、本発明を具体化する機能性及び特に図４を参照して以降で説明されるさらなる機能性を実装するアプリケーション（又は「アプリ」）を含むプログラム命令及び関連データ３３６を格納する。
【００３８】
モバイルコンピューティングデバイス３００は、ユーザとの上述した対話（すなわち、入力及び出力）を可能とするタッチスクリーンインターフェース３２６も含む。
【００３９】
図４は、本発明を具体化する、ボルタンメントリー測定手順を示すフローチャートである。最初の手動のステップは、モバイルデバイス３００を、例えば、図２に例示される構成２００でボルタンメトリーセルに接続するステップ４０２と、ボルタンメトリー測定アプリを実行するステップ４０４と、ユーザインターフェース３０４の関連部分を用いた対話を介して測定パラメータを設定するステップ４０６とを含む。
【００４０】
構成が正しく設定されると、ユーザは、タッチスクリーンボタン３０６と対話して測定を開始する。この時点で、アプリは、２つの並列スレッドで実行される。スレッドＡでは、励起電位波形が発生され、ボルタンメトリーセルに出力される。スレッドＢでは、オーディオ信号入力が監視され、結果としての出力信号を捕捉する。フローチャート４００に例示するように、スレッドＡの動作は、正極性波形を発生させるステップ４０８と、負極性波形を発生させるステップ４１０と、ＡＣ摂動を少なくとも１つの波形、例えば、ステップ４０８で発生した正極性波形に重畳するステップ４１２と、デバイスのオーディオ出力インターフェース３３２を介して第１及び第２のオーディオチャネルに一対の波形を出力するステップ４１４と、を含む。理解されるように、別々のステップ４０８，４１０、４１２、及び４１４は単なる例示として示されている。実際には、波形は、任意のシーケンスで発生させることができ、特に、測定の最中に出力するために、実質的に同時に、連続して発生させることができる。
【００４１】
その一方で、スレッドＢでは同時に、オーディオ入力チャネルが監視され（ステップ４１６）、入力波形が捕捉される（ステップ４１８）。最後に、入力電圧波形は、モバイルデバイス３００のデータ記憶部３２４内にボルタンメトリー応答波形として記録される（ステップ４２０）。メモリへの波形の記録は、多くの等価な方法、例えば、測定の最中に連続して又は定期的に、もしくは測定の完了後に別のステップとして行ってもよい。
【００４２】
いずれにしても、測定の完了後、ボルタンメトリー応答波形、例えば、波形３１４のデジタル表示が、モバイルデバイス３００のメモリ３２４に捕捉され、記録される。
【００４３】
次に、図５を参照すると、本発明を具体化して、記録された波形のデータ分析方法を例示しているフローチャート５００が示されている。データ分析は、アプリ内に提供された追加の分析機能を介してモバイルデバイス３００上で行ってもよく、あるいは、波形データは、さらなる分析のために、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、又はクラウドベースのサーバなどの他のデバイスに転送してもよい。
【００４４】
ステップＳ５０２では、記録された波形が読み出される。ステップ５０４では、第２高調波分析が行われる。第２高調波分析５０４は、ボルタンメトリーセル１０２内の分析物の酸化及び／又は還元の特性である波形をもたらす。データ分析５００のさらなるステップは、本発明の様々な実施形態において、任意選択的に行ってもよいし、あるいは省いてもよい。
【００４５】
例えば、ステップ５０６では、第２高調波分析の結果を表示することができる。代わりに、又は追加的に、さらなる分析ステップ５０８が、第２高調波分析によって生じる波形のピークの下の領域を積分する。これらの「積分ピーク」（ＩＰ）は、一般に、分析物濃度と相関する。従って、さらなるステップ５１０では、ＩＰ値に対応する分析物濃度を算出することができる。分析物濃度の算出ステップ５１０は、ＩＰ値と分析物濃度との間に所定の関係を与えるために較正データにアクセスするステップを含むことができる。較正データの例は、図８Ａ及び８Ｂを参照して、以下で詳細に論じられる。
【００４６】
図６は、図４及び５に例示されたプロセスによる測定及び分析の例示的な結果６００を示す。グラフ６０２は、例示的な、測定／読出し波形を例示する。グラフ６０４は、読出し波形６０２の（例えば、高速フーリエ変換アルゴリズムによる）離散フーリエ変換を行うことによって取得される、対応する周波数スペクトルである。重畳されたＡＣ摂動（基本波）に対応するピーク６０６をはっきりと見ることができる。実質的に小さいピーク６０８は、第２高調波に関連する。
【００４７】
第２高調波分析プロセスによれば、第２高調波ピーク６０８周辺の信号成分が抽出され、対応する第２高調波の時間領域波形６１０を取得するために逆変換が適用される。第２高調波形６１０のエンベロープを決定することによって、最終的なボルタモグラム波形６１２が生成される。上述してきたように、ボルタモグラム波形６１２のピークから分析物に関する非常に有用な情報を決定することができ、特に、波形の積分値（すなわち、ＩＰ値）は、分析物の濃度と相関することが知られている。
【００４８】
前述した説明から理解されるように、例えば、特定の目的のために結果を改善又は最適化するために、ボルタンメトリー測定設定の多くのパラメータを変更することができる。ソフトウェアで変えられるパラメータには、基礎となる、時変ボルタンメトリー駆動電位の形状、タイミング、及び持続時間、並びに重畳されるＡＣ摂動の振幅及び周波数が含まれる。変動を受ける可能性がある物理的設定２００の特性には、抵抗２０２及びキャパシタ２０４の値だけでなく、電極１０４、１０６の寸法及び組成が含まれる。実際問題として、ボルタンメトリーセル１０２の特性は、典型的には、可用性によって制限される。しかし、いくつかの実施形態では、例えば、切替可能なコンポーネントの配置によって、つまり抵抗２０２の代わりにポテンショメータのような可変コンポーネントを使用することによって、ユーザに抵抗２０２及び／又はキャパシタ２０４の値を制御させるのが実用的なこともある。
【００４９】
図７は、ＡＣ摂動の振幅及び周波数の関数として測定感度を例示するグラフ７００である。横軸７０２は摂動の振幅をミリボルトの単位で表し、縦軸７０４はＩＰの算出値を任意の単位で示している。それぞれがＡＣ摂動の異なる周波数に対応する多数の結果セットが示されている。曲線７０６は、９０Ｈｚの周波数に対するＡＣ振幅の関数としてのＩＰを示す。曲線７０８は、１９０Ｈｚの周波数に対する同じ結果を示す。曲線７１０、７１２、及び７１４は、それぞれ２９０Ｈｚ、３９０Ｈｚ、及び４９０Ｈｚの周波数に対するさらなる結果を示す。
【００５０】
図７の結果は、概して、ＡＣ振幅の値が大きいほど感度が高くなり、すなわちＩＰ値が高くなり、したがって、信号対雑音比が大きくなることを示している。これは基本振幅が大きいほど、第２高調波の振幅が大きくなり、したがって、最終ボルタモグラムのパルスが大きくなるため、驚くことではない。しかし、実際には、ＡＣ摂動の振幅を無制限に増大させることはできない。ＡＣ振幅が大きいほど、基礎となる時変ボルタンメトリー駆動電位波形に利用可能な電圧範囲を制限し、ボルタンメトリー回路内の抵抗２０２の寄生効果を増大させる。そのため、ＡＣ摂動の変調深度に妥当な制限を設けるのが望ましい。例えば、グラフ７００に示す結果は、約０．７％から７％までの１．４Ｖのフルスケール電圧と比較して相対振幅に対応する。
【００５１】
グラフ７００では、ＡＣ摂動周波数が低くなるほど、感度が低くなる、すなわちＩＰ値が低くなることも観察することができる。例えば、９０Ｈｚと１９０ＨｚのＡＣ摂動周波数では出力が顕著に低下する。しかし、より高い２９０Ｈｚ、３９０Ｈｚ，及び４９０Ｈｚの周波数では、さらなる改善はほとんど見られない。これは、一つには、抵抗２０２とキャパシタ２０４とからなるＲＣ回路網と組み合わせるオーディオ入力の周波数応答により、また一つには、ＡＣ摂動周波数とＩＰとの間の平方根関係によって説明される。
【００５２】
周波数選択に関してさらに考慮することは、容易に予想される外部電磁界からの干渉を最小化することである。これらは、関心のある周波数では、主として、通常５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのいずれかで動作する主電源によって発生される。そのため、これらの周波数での、及び高調波が生じることのあるこれらの複数の周波数の整数倍でのＡＣ摂動を回避することが望ましい。
【００５３】
図８Ａ及び８Ｂは、本発明の実施形態による異なる抵抗値での較正プロットを示す。グラフに示す結果は、濃度がゼロから約２．０ｍＭの間で変化するフェロセンカルボン酸（ＦｃＣＯＯＨ）のテスト分析物を用いて取得された。ボルタンメトリーセル１０２には、直径１ｍｍのガラス状炭素作用電極１０４を使用し、対電極１０６には、コイル状の銀／塩化銀ワイヤーを使用した。２電極構成のために、ＣＥ１０６の寸法がＷＥ１０４よりも小さくならないようにした。測定時間の合計（電圧の上昇及び下降）は、全測定で８秒であり、ＡＣ摂動周波数は１９０Ｈｚで、振幅は４０ｍＶであった。キャパシタ２０４の値は４．７μＦに固定した。
【００５４】
電気化学分析の当業者に理解されるように、図８Ａ及び８Ｂの例におけるような、フェロセン誘導体の使用は、限定することを意図していない。むしろ、任意の電気活性部分が同様に検出され得ることは明らかであろう。例えば、本発明の実施形態は、酵素ベースのバイオセンサとのからみで、酵素基質反応の生成物又は反応物を検出するために用いることができる。さらに、免疫学的検定およびＤＮＡに基づく検出などの生物学的分析法において標識としてフェロセン誘導体を用いることは普通である。
【００５５】
図８Ａは、抵抗２０２の値が３９０Ωでの結果を示す。横軸８０２は、分析物の濃度であり、縦軸８０４は、任意の単位での最終ＩＰ値である。２つの別々のグラフが示され、上のグラフ８０６は濃度が約１．２ｍＭまでの結果であり、下のグラフ８０８は、２．０ｍＭまでの全範囲の結果を示す。濃度範囲が低い場合の結果８１０は、線形に近く、回帰係数Ｒ２が０．９８１９４であり、傾きが１７９．５／ｍＭである。しかし、全範囲の結果８１２は、線形領域が高い濃度にまでは及ばないことを示している。これは、濃度が高くなるにつれてボルタンメトリー電流が高くなり、抵抗２０２にかかる電圧が高くなり、これによりボルタンメトリーセル１０２にかかる電圧が低くなるからである。このため、抵抗２０２は、回路の寄生素子として作用し、酸化及び関連するボルタンメトリー電流を抑える。そのため、抵抗値が低いと、抵抗２０２にかかる測定電圧が対応して低下するため、低い感度（すなわち低い傾き）を犠牲にして、線形ダイナミックレンジが広くなることが期待される。
【００５６】
これらの予測は、抵抗値を１００Ωに低下させた図８Ｂに示すグラフ８１４にて実証される。図８Ｂでも、横軸８１６は濃度であり、縦軸８１８はＩＰ値である。結果８２０は、全濃度範囲にわたって、実質的に直線性を示し、回帰係数Ｒ２は０．９７６７である。しかし、傾きは６１／ｍＭに低下する。
【００５７】
これらの試験において、分析物の存在の検出の下限は、２．０の信号対雑音比に基づいて５０μＭの濃度であったことがさらに判明した。
【００５８】
理解されるように、図８Ａ及び８Ｂに表されているような測定値は、較正目的のために用いることができる。線形領域内では、単一の較正定数、すなわち濃度とＩＰとの線形関係の傾きを決定するだけで十分である。ボルタンメトリー装置は、十分な較正データを保持することによって、及び／又は高次関数を非線形の結果に適合させることによって線形領域外で動作させることができる。
【００５９】
要するに、本発明の実施形態によれば、適切なアプリケーションソフトウェアがインストールされた、スマートフォン又は他のモバイルコンピューティングデバイスなどの、広く利用可能で、比較的低コストのハードウェアは、励起電位をボルタンメトリーセルに印加し、レドックス活性分子の電気分解を生じさせるためのポテンショスタットの基本機能を提供することができる。抵抗とキャパシタからなる単純な回路を使用して、結果として得られる電流と、モバイルコンピューティングデバイスの標準的なオーディオ入力を介して検出される、印加電位波形におけるＡＣ摂動の影響とを測定することができる。モバイルコンピューティングデバイスそれ自体、あるいは、結果がアップロードされるＰＣ又はサーバープラットフォームのいずれかで検出された信号の第２高調波分析を使用して、例えば、分析物の濃度を決定することができる。第２高調波ボルタモグラムの表示及び／又はさらなる分析も可能である。
【００６０】
スクリーン印刷電極などの他の低コストのコンポーネントと組み合わせると、本発明の実施形態は、低コストで、計器を用いないセンシングのための新たな機会を創出し、科学的な試験装置又は施設への容易なアクセスが利用できない発展途上国、遠隔地域、及び他の環境内の健康管理にとって重要な意味をもつ。有利なことに、スマートフォンなどのモバイル通信デバイス、及びコンピューティングデバイスは、医療従事者のストレージサーバ又はデスクトップコンピュータなどの遠隔地に、直接、結果を送信する機能も有する。
【００６１】
本発明の実施形態の様々な特徴が説明されてきたが、さらなる変形及び修正が明らかであり、関連技術における当業者の通常の能力の範囲内である。したがって、上述した実施形態、特徴、及び特定の構成は、以下の請求項で規定される本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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